Циклический характер работы двс один из его недостатков, но вместе с тем именно благодаря ему в двс реализуются высокие максимальные температуры и давления (стр. 20 из 27)

Топливные элементы с протонно-обменной мембраной (PEM)

Топливные элементы с протонно-обменными мембранами были разработаны фирмой General Electric в рамках программы NASA Gemini почти сорок лет назад. Эти элементы привлекли внимание автомобилестроителей, поскольку они компактны, работают при низких температурах, позволяют регулировать мощность, и их можно сравнительно быстро запустить в действие. Разработки, сделанные в 1980 годах Los Alamos National Laboratories (LANL) по улучшению технологии производства и сокращению количества катализатора, которым необходимо покрывать сверх тонкую полимерную мембрану, позволили существенно понизить стоимость топливных элементов.

Рис. 10.2. Конструкция блока топливных элементов фирмы Ballard

Прототип установки на топливных элементах фирмы Ballard (рис.2), который используют фирмы DaimlerChrysler, Ford, Honda, Nissan и др, представляет собой серию углеродных пластин/PEM-эектродных сборок. Каждая сборка содержит пять главных компонентов. По краям сборки расположены электроды из углеродного материала, покрытые катализатором платинового семейства, который ионизирует водород у анода и кислород у катода. Между электродами расположена тонкая протонно-обменная мембрана, которая представляет собой резиновый гидрофильный полимерный электролит с внедрениями из твердой серной кислоты. Эти внедрения селективно пропускают протоны через мембрану к катоду.

Исследователи фирм Ballard и GM непрерывно работают над решением целого ряда технических проблем, таких как увеличение плотности энергии в сборке оптимизацией состояния мембраны (она должна быть влажной, но не текучей) и оптимизацией линий тока, по которым транспортируются водород, кислород и вода в пределах сборки. Фирма Баллард имеет более 400 патентов по технологии топливных элементов с протонно-обменными мембранами и рассчитывает в течение ближайших четырех лет создать энергоустановку с габаритами, пригодными для применения в автомобилях, и со стоимостью, сопоставимой со стоимостью ДВС.

Понятно, что топливные элементы обладают рядом преимуществ перед ДВС: они имеют больший КПД, более низкий уровень шума, они могут быть базой для создания энергоустановок с нулевым или близким к нулевому уровнями выбросов вредных веществ, которые могут работать на возобновляемых топливах. Следует отметить, что некоторые инженеры считают, что топливные элементы можно эффективно использовать в гибридных силовых установках в комбинации с аккумуляторными батареями, емкостными или другими , что даст возможность использовать топливные элементы с меньшей мощностью, но с большим КПД. Инженеры фирмы Баллард утверждают, что они два года назад достигли минимальный уровень плотности энергии для автомобильного применения – 1 кВт / л в установке Марк700. В своей новой разработке Марк 900 они получили плотность энергии 1.35 кВт/л. Хотя этот уровень ниже уровня плотности энергии, который обеспечивают ДВС, тяговые характеристики электромоторов обеспечивают автомобилю с топливными элементами преимущества.

Рис. 10.3. Сравнение ДВС и топливных элементов

Однако еще много нужно сделать в совершенствовании технологии топливных элементов, чтобы добиться их конкурентоспособности. Хотя в топливных элементах отсутствуют движущиеся части, что потенциально позволяет рассматривать их как более простые системы, но они являются каталитическими устройствами, каталитическими преобразователями, что порождает специфические проблемы, например в области износа. Это означает, что какое -то время топливный элемент будет работать и без подачи газа.

Уменьшение стоимости

До настоящего времени изготовление топливного элемента с мощностью, достаточной для привода автомобиля, обходилось дороже, чем изготовление установки электромобиля с химическими элементами или гибридных силовых установок. Чтобы достичь уровня мощности ДВС для привода седана среднего класса, силовая установка с топливными элементами должна иметь 60-90 кВт. В энергоустановках НАСА космического применения топливные элементы технологии PEM стоили 500000$/kW. К настоящему времени после целого ряда технологических достижений их стоимость снизилась до $500/kW. Но это означает, силовая установка с топливными элементами стоит около $25000, что почти в семь раз дороже обычного ДВС (около 3500$).

Работая несколько лет со специалистами фирм Форд и GM, исследователи фирмы Баллард изучили потребности автомобильной промышленности в крупномасштабном производстве топливных элементов низкой стоимости и сконструировали установку Марк 900. Ключевым моментом в создании этой установки был выбор дешевых, доступных материалов и разработка высокопроизводительных крупномасштабных технологических процессов производства компонентов топливных элементов. Исследования применительно к заводу с программой выпуска 300000 силовых установок показали, что при распределении стоимости по компонентам 40%- батарея топливных элементов, 40%-компоненты системы, 20%-электрический привод и трансмиссия, можно получить стоимость установки около $50-60 / kW.

В установке Марк 700 применялась ручная сборка и индивидуальная обработка графитовых пластин из заготовки. Пластина стоила 100$, а при изготовлении установки Марк 900 при изготовлении электродов использовался рулонный графитовый материал Grafoil, поставляемый фирмой Carbon Graftek. Листы из этого материала подвергались обработке, пропитке, термообработке. Стоимость пластины удалось довести до нескольких долларов.

Марк 900 при работе на водороде дает 80 кВт и 75 кВт при работе на водороде, получаемом в топливном реакторе-риформере. Эта установка технологична и может быть адаптирована к промышленному производству. Однако потребуется несколько итераций, повышающие энергоемкость, снижающие массу, габариты и стоимость изготовления, пока новые варианты этой установки будут поставлены на промышленное производство.

Фирма Баллард выработала следующую стратегию внедрения силовых установок с топливными элементами. Запланирована продажа портативного генератора энергии, создание топливных элементов для междугородных автобусов. Фирма DaimlerChrysler уже сделала 33 заказа. Будут выпущены источники бесперебойного энергоснабжения.

Обеспечение топливом и проблемы инфрастуктуры

Фундаментальной проблемой в топливно-элементной технологии является получение и хранение топлива, т.е. обеспечение подачи водорода в требуемом для работы количестве. Применение трех топлив, рассматриваемые автомобилестроителями как основные– водород, метанол и бензин, порождает целый ряд серьезных проблем. Так, хотя применение водорода предпочтительно с точки зрения эффективности выработки энергии, поскольку обеспечивает наилучшие экологические показатели и КПД, водород занимает значительный объем на борту, отличается повышенными пожарной и взрывоопасностью. Водород можно хранить на бору автомобиля в сжатом виде в баллонах под давлением 100-800 бар, в криогенной емкости в жидком состоянии при температуре –253 С, в металлгидридных аккумуляторах, а также может храниться в на борту в составе другого топлива и по мере надобности выделяться из этого топлива (электролиз воды, получение водородосодержащего газа в термохимическом реакторе-риформинге и др.).

В любом случае хранение или получение водорода на борту из другого носителя составляет массу инженерных проблем, приводящих к необходимости создания на борту устройств, имеющих большие габариты, массу и представляющих опасность в эксплуатации. Получение водорода на борту из метанола, бензина или другого углеводородного топлива приводит к необходимости создания миниатюрной бортовой водородной фабрики, увеличивающей массу автомобиля и усложняющей его системы. Кроме того, получаемый в топливных процессорах водород (водородосодержащий газ) не является химически чистым и для использования в топливном элементе должен быть очищен от примесей, способных вызвать отравление катализатора топливного элемента (окись углерода, соединения серы и др.).

Совершенно ясно, что выбор способа хранения на борту водорода теснейшим образом связан с инфрастуктурой получения и распределения топлива. Фактически инфрастуктуры получения водорода и метанола отсутствуют. В США, Германии, Японии и других развитых странах существуют несколько станций, в которых можно пополнить запас водорода или метанола в автомобиле. Создание таких инфрастуктур требует огромных капитальных вложений. Конечно, инфрастуктура получения и распределения бензина, дизельного топлива и газа существует, однако она не может быть использована без модернизации для обслуживания автомобилей с топливными элементами. Здесь речь идет прежде всего о получении и распределении топлив с отсутствием вредных примесей.

В этом смысле метанол не нуждается в сверх очистке, однако его использование связано с необходимостью создания специального оборудования для заправки (насосов) и необходимостью поддержания особых мер безопасно, учитывая токсичность метанола.

Поэтому можно согласиться с распространенным мнением, что основной проблемой внедрения топливных элементов являются не сами топливные элементы, но топлива сами по себе.

Непосредственное применение водорода

Наиболее очевидным решением является непосредственное использование водорода как топлива. Согласно этому сценарию, на заправочных станциях должны быть установлены емкости для водорода или установлены миниатюрные электролизные установки, которые получают водород из воды. Этот вариант устраняет необходимость установки на борту топливного процессора (риформера) и позволяет избежать выбросов в атмосферу диоксида углерода и других парниковых газов, образующихся в процессе генерации водорода из углеводородного топлива. Заметим, что электроэнергия, необходимая для электролиза воды, обычно получается на тепловых или ядерных станциях и при оценке экологического ущерба необходимо учитывать и загрязнение в процессе получения электроэнергии. Тем не менее, привлекательность производства водорода заключается в том, что он не зависит от того, каким образом получается водород: электролизом воды или расщеплением молекул природного газа или нефти.